摘　要　上海軌道交通既有的信號控制系統各不相同。針對上海軌道交通1 號線、2 號線、3 號線(明珠線一期) 以及5 號線(莘閔輕軌交通線) 的列車自動控制(ATC) 系統,在軌道電路、微機聯鎖、ATP 、ATO 、A TS 等方面進行了比較和分析,并對上海軌道交通線A TC 系統所應采取的制式進行了初步的探討。
關鍵詞　城市軌道交通,列車自動控制,列車自動保護,列車自動運行,列車自動監控,軌道電路

目前,既有上海軌道交通線所采用的列車自動控制系統(A TC 系統) 各不相同。上海軌道交通1 號線采用了美國GRS 公司(現為AL STOM 公司的一部分) 的A TC 系統,上海軌道交通2 號線采用了美國USS 公司的技術,上海軌道交通3 號線(明珠線一期) 采用了法國ALSTOM 公司的A TC 技術, 而上海軌道交通5 號線(莘閔輕軌線) 采用了德國SIEMENS 公司的設備。下面從不同的方面對這四套系統進行比較。
1 　上海軌道交通A TC 系統概況
1 號線(地鐵1 號線) 一期工程北起上海火車站,南至上海南站,后南延伸至莘莊。1 號線及南延伸共計16 個車站,約22 km , 設7 個信號設備集中站和一個車輛段,現已全線開通使用。1 號線北延伸自上海火車站起向北延伸12. 5 km , 經過8 個車站,終點站為泰和路,設4 個設備集中站。1 號線是一個重軌運輸系統,采用靈活的6 節編組(具備將來8 節編組升級的能力),并裝備了列車自動控制系統(A TC) 的全套設備。車載A TP 設備雙套冗余,A TO 設備單套。
2 號線(地鐵2 號線) 西起浦西的中山公園,東至浦東的張江站,現有13 座車站,全程18. 16 km , 設有4 個聯鎖集中站和2 個非聯鎖集中站。2 號線正向運行實現完全的自動控制, 包括A TP 、A TO 、A TS 功能。車載A TP 設備雙套冗余,A TO 設備單套。
3 號線(明珠線一期) 由漕河涇至江灣鎮,全程24. 975 km , 共包括19 個車站、一個車輛段。系統中共設10 個設備集中站。控制中心設于寶興路站控制中心。3 號線裝備了全套的A TC 系統,車輛采用6 節編組和8 節編組。
5 號線(莘閔輕軌線) 由莘莊站至天星站,全長約17 km 。正線共設13 座旅客車站,除莘莊站為地面車站外,其余均為高架車站。系統設5 個聯鎖集中站。5 號線裝備了全套的A TP 、A TS 系統, A TO 功能沒有要求,車輛采用6 節編組和8 節編組。
2 　軌道電路的比較
軌道交通1 號線采用音頻無絕緣軌道電路,將4 種列車檢測載頻調制在2 個碼率上,并有序地使用在線路上,以達到列車檢測的目的。機車信號載頻為2 250 Hz , 調制在10 個碼率上,以向列車傳輸8 個速度碼(1 個預留) 、2 個開門信息;同時,無碼表示停車信息。
2 號線采用AF -902 和AF -904 數字式無絕緣軌道電路檢測列車的位置。軌道電路采用9. 5 ～16. 5 kHz 的載頻,用頻移鍵控(FSK) 方式進行調制,向列車傳送信息,傳輸速率為200 bit/ s。軌道電路向車載設備傳送的信息除信息頭和CRC 校驗外,還包括軌道電路號、運行方向、下一個載頻、線路限速、目標速度和停穩信息等。
3 號線采用D TC921 -1 型無絕緣Digicode 數字軌道電路,D TC921 -1 可分別采用8 個不同的載頻進行信息傳輸,用MSK 方式進行調制。Digi2 code 用于列車檢測時傳輸速率為400 bit/s , 與SACEM 地對車通訊時為500 bit/s , 支持雙向傳輸,在地鐵中僅用了地到車通訊。軌道電路向車載設備發出的報文包括長報文(區段的進路地圖) 和短報文(區段的軌道電路和道岔的狀態) 。
5 號線采用FTGS 音頻無絕緣軌道電路,用S -bond 電氣隔離接頭進行分割,軌道電路具有4 個頻率。系統經數據傳輸點(軌道耦合線圈) 點式向車載設備傳輸信號和線路信息,也可用環線進行連續傳輸。軌道耦合線圈使用FSK 制式,傳輸速率為50 kbit/ s。
就軌道電路而言,3 號線采用的技術是最為先進的。它實現了地面設備向車載設備連續傳送A TP 所需信息,且具有500 bit/ s 的較高傳輸速率。較為可惜的是,它的雙向傳輸功能并沒有發揮作用。
3 　聯鎖設備的比較
1 號線和南延伸采用6502 繼電聯鎖,北延伸采用V PI 計算機聯鎖系統。VPI 計算機聯鎖是以“數字集成安全保障邏輯(N ISAL) ”為基礎,采用“故障-安全”設計的專用聯鎖機系統。系統為雙機熱備方式。
2 號線采用M ICROLOCKII 計算機聯鎖系統, 系統為雙機熱備方式。M ICORLOCK 單元分為處理安全信號的“IML K”(聯鎖M ICROLOCK) 和“TML K”(軌道M ICROLOCK) 。
3 號線采用ASCV (V PI2) 計算機聯鎖系統。ASCV 系統保持了數字集成安全保障邏輯(N ISAL) 等技術,并對CPU 速度和系統容量進行了全面升級,為雙機熱備系統。5 號線采用SIM IS 計算機聯鎖系統,3 取2 工作方式,并采用了分散式設備接口模塊。系統具有較高的可靠性、可用性和適應能力。
上述各軌道交通線的聯鎖系統中,5 號線的3 取2 系統具有較高的可靠性,技術較為先進。
4 　列車自動保護系統的比較
1 號線采用頭、尾各雙套冗余的車載設備,其列車自動保護(A TP) 系統基于速度碼方式,共有8 個速度碼。列車最高速度為80 km/ h , 運行間隔120 s , 設計間隔100 s 。
2 號線采用頭、尾各雙套冗余的車載設備,基于目標速度方式。設計間隔100 s 。
3 號線采用SACEM 系統,地面設備為3 取2 系統,車載設備頭、尾主/ 備雙重配置。基于目標距離方式。地面設備向車載設備傳送區段的進路地圖、區段的軌道電路和道岔的狀況,由車載設備進行制動曲線的計算。系統靠靜態列車初始化應答器(STIB) 、動態列車初始化應答器(M TIB) 和重新定位應答器(RB) 來進行列車的定位和重新定位。設計間隔100 s 。
5 號線采用點式發碼非連續式地對車通訊,車載設備為2 取2 方式。系統基于目標距離方式。運行間隔163 s , 最小設計間隔130 s 。各A TP 系統的控制模式曲線如圖1 所示。
從圖1 可以看出,目標距離方式采用了一次模式曲線,A TP 系統可以從列車運行點開始至列車的停車點通盤考慮列車的最高運行速度。在相同的軌道電路設置情況下,目標距離方式運行速度最高,所用時間最少。
目標速度方式可根據初始速度和目標速度及軌道電路的實際情況,在每個軌道電路的范圍內計算出最佳模式曲線。目標速度在整體上被分割為階梯型曲線,無法在整體上達到最優。同時,由于目標速度方式是由地面設備決定列車運行速度的, 系統必須考慮最差列車的情況,所以,列車的防護距離較長。
而速度碼方式,A TP 系統幾乎為被動接受控制的系統。在接收到速度碼后,A TP 系統保證列車按最新的速度要求運行。由于速度碼考慮的是整個軌道電路的最低速度,所以列車運行速度較低,這種情況在軌道電路G1 表現最為明顯。軌道電路G1 的速度需為0 , 這就意味著列車一進入軌道電路G1 , 必須立即制動,且前一軌道電路G2 速度不能太高。
同樣是目標距離方式,3 號線同5 號線又有很大的差別。由于5 號線通過數據傳輸點(軌道耦合線圈) 點式傳輸信號和線路信息,軌道耦合線圈安裝在信號機或速度限制區域前。當線路情況發生突變時,車載設備無法及時作出響應。圖1 中,列車剛過軌道電路G6 的軌道耦合線圈,若軌道電路G3 故障,列車必須到下一軌道耦合線圈才開始制動。而對連續傳輸方式來說,在列車當前位置即能進行制動。此外,點式傳輸方式下,列車一旦制動停下,由于收不到新的速度命令,列車無法在A TP 模式下繼續運行,這種情況在站臺前一個軌道電路尤其容易發生。為此,必須在信號機前鋪設感應環線,保證列車在到達信號機及軌道耦合線圈前得到從“停止”改為“ 前進”的信號變化信息。即用局部的連續方式彌補點式傳輸的部分不足。點式的目標距離方式可以用于列車運行密度不高、運行間隔較大、安全要求一般的鐵路和輕軌系統,而用于高密度的地鐵和輕軌系統會有很大的弊端。

圖1 　不同A TP 控制模式制動曲線的比較
　　綜上所述,就A TP 控制模式而言,3 號線的目域的TWC 環線交叉來實現的。TWC -2000 用于標距離方式是目前上海市軌道交通系統中最為先車地通訊、傳遞車次號和A TO 命令等。它具有一次模式曲線,運行速度較高;列車的模式曲線由車載設備決定,列車可根據自身情況進行運行間隔的優化;目標距離方式減少了列車運行間隔對軌道電路劃分的依賴性,為今后向更先進的移動閉塞方式升級提供了可能。而2 號線的目標速度方式次之,1 號線的速度碼方式較為落后。5 號線的點式傳輸目標距離方式只能用于要求較低的鐵路和輕軌系統。當然,3 號線A TP 車載設備的頭尾冗余方式在可用性上略有欠缺。
5 　列車自動運行系統的比較
目前,5 號線不具有列車自動運行(A TO) 功能,其余3 條線的A TO 系統都為單套。
1 號線的停車精度為±25 cm 。精確的車站停車是通過距停車點350 m 、150 m 、25 m 處的無源標志線圈以及8m 處的有源標志線圈實現的。A TO 命令和車次號是通過車地通信子系統(TWC) 傳遞的。A TO 具有5 個運行等級。
2 號線的停車精度為±50 cm , 精確的車站停車是應用軌道電路ID 和邊界的轉換以及車站區
3 號線的停車精度為±50 cm 。精確的車站停車是應用A TO 的距離計算和STIB 、M TIB 和RB 來實現的。TWC 用于車地通訊、傳遞車次號和A TO 命令等。
在以上系統中,由于3 號線的A TO 設備較新, 且充分考慮了車輪打滑、避免急速制動和啟動等因素,技術較為先進。但地鐵1 號線的停車精度是最高的。
6 　列車自動監控系統的比較
上海現有的軌道交通線的列車自動監控(A TS) 系統均采用了客戶機/ 服務器方式,具有相同或相近的功能,但在具體實現上有所不同。
1 號線A TS 系統在中控室采用雙局域網連接,主機及通訊前置機為雙機熱備,大屏顯示采用馬賽克表示屏。車站采用工業單板機D TM 系統作為數據傳輸和控制系統,采用馬賽克控制臺。中控室同車站間通過MODEM 進行點對點連接,通訊速率為2 400 bit/ s。
2 號線A TS 系統在中控室采用雙局域網連接,主機及通訊前置機為雙機熱備,采用背投作為大屏顯示。中控室同車站間通過路由器進行點對點連接,中控室和車站間組成廣域網連接。
3 號線A TS 系統在中控室采用雙局域網連接,主機及通訊前置機為雙機熱備,采用背投作為大屏顯示。車站采用雙局域網連接,車站A TS 服務器為雙套冗余,控制臺為單套。中控室同車站間通過路由器進行點對點連接,通道雙套冗余,中控室和車站間組成廣域網連接。
5 號線A TS —V ICOS 　OC 系統在中控室為單網連接,采用PROFIBUS 現場總線,負責列車自動跟蹤和列車自動排路的計算機雙套冗余。車站采用雙套PROFIBUS 網,同中控室的連接也通過雙套PROFIBUS 網,車站控制臺為單套。
在所有的A TS 系統中,3 號線的A TS 系統采用了雙局域網和雙廣域網連接,具有較高的技術先進性。
綜上所述,在上海的軌道交通系統中,3 號線的A TC 系統技術最為先進。目前,采用連續的數字無絕緣軌道電路進行A TP 信息傳輸是主流,音頻軌道電路已經基本淘汰,點式傳輸不適合于高密度和高安全的地鐵和輕軌系統;在A TP 控制模式中,目標距離方式同速度碼方式和目標速度方式相比具有很大的優越性,雖然移動閉塞是目前的最新潮流,但目標距離方式更為成熟; 在A TO 系統和A TS 系統方面,3 號線也是最為先進的,更為重要的是,3 號線的A TS 系統已實現全面的國產化,對進一步提高地鐵和輕軌系統的國產化率具有重要的意義。
對上海軌道交通的A TC 系統進行比較,主要是為了找出一個技術較為先進的系統,逐步規范A TC 系統的制式;同時,也是為了在吸收國外先進技術的基礎上,開發全面國產化的A TC 系統,這對進一步降低地鐵、輕軌A TC 系統的造價具有重要的意義。